Certas partículas na atmosfera têm a capacidade única de alterar as propriedades das nuvens, fazendo com que as gotículas de água congelem em temperaturas mais altas do que fariam por conta própria. Com esta habilidade, essas chamadas partículas de nucleação de gelo podem afetar muito a evolução das nuvens, precipitação, e clima. Pesquisas anteriores apontaram para a queima de biomassa, como em incêndios florestais, como uma importante fonte de partículas atmosféricas, às vezes incluindo essas partículas de nucleação de gelo raras e elusivas, mas esta relação entre a combustão e a liberação de nucleantes de gelo não foi compreendida.

Um novo estudo do Centro de Estudos de Partículas Atmosféricas da Carnegie Mellon visa responder a essas questões sobre as partículas de nucleação de gelo e sua relação com a combustão de biomassa. Liderado por Ryan Sullivan, professor associado de química e engenharia mecânica, uma equipe de pesquisadores conduziu experimentos extensivos sobre as emissões de combustíveis de biomassa autênticos. Eles descobriram que os minerais da queima de biomassa são uma fonte importante e não reconhecida de partículas de nucleação de gelo que podem explicar grande parte da atividade de congelamento observada na fumaça de incêndios florestais.

O time, incluindo Ph.D. alunos Leif Jahn, Michael Polen, Lydia Jahl, e Thomas Brubaker, primeiro considerou a evidência preliminar que obteve que revelou a capacidade de nucleação de gelo de partículas emitidas da queima de biomassa - especificamente aerossol - tornou-se mais forte com o tempo. Isso ia contra experimentos anteriores no campo, que descobriu que o envelhecimento químico degrada a capacidade de nucleação de gelo da maioria dos tipos de partículas, ou não o altera.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que essa capacidade fortalecida veio de mudanças químicas nas partículas de fuligem de carbono preto no aerossol. Acredita-se que as partículas de fuligem sejam os nucleantes de gelo liberados pela combustão do combustível e as superfícies das partículas tornam-se mais oxidadas à medida que envelhecem. À medida que as partículas de fuligem se oxidavam na atmosfera, talvez eles tenham se tornado mais hidrofílicos, aumentando sua capacidade de nucleação de gelo, uma vez que a nucleação de gelo envolve a formação de moléculas de água na superfície em um embrião de cristal de gelo.

"Fizemos muitos experimentos, e nossos experimentos indicaram que nossa hipótese original não estava certa porque os combustíveis que produziram mais fuligem normalmente tinham as propriedades de nucleação de gelo mais fracas, ou nenhum que pudéssemos medir, "disse Sullivan." Então, não parecia que a fuligem era a explicação. "Isso deu a eles uma pista crítica de que algo além da fuligem grafítica era responsável pela nucleação do gelo que eles estavam medindo.

Ainda tentando explicar por que as propriedades de nucleação do gelo do aerossol aumentaram após o envelhecimento, Sullivan ficou curioso sobre as cinzas restantes na panela onde queimaram os combustíveis durante seus experimentos. Via difração de raios-X dos átomos que compõem as cinzas, eles descobriram que a cinza que tinha as propriedades de nucleação de gelo mais fortes também tinha o material mais cristalino. Quando eles examinaram as minúsculas partículas de aerossol submicrônicas usando microscopia eletrônica e de raios-X, eles também viram minerais nas amostras que eram os melhores nucleantes de gelo. Esta foi uma descoberta importante, uma vez que a presença de minerais cristalinos é conhecida por impulsionar a capacidade de nucleação do gelo, mas isso não havia sido explorado tanto no aerossol de queima de biomassa quanto nas cinzas que ficam para trás.

Depois de coletar amostras autênticas de combustível de biomassa de vários refúgios nacionais de vida selvagem, eles conduziram mais experimentos para explorar como as mudanças no combustível original se relacionam com as diferenças na capacidade de congelamento das emissões de fumaça. Eles foram capazes de vincular a produção desses novos minerais da queima de biomassa a níveis mais elevados de elementos formadores de minerais medidos em alguns dos combustíveis originais. Eles também foram capazes de descartar de forma conclusiva as partículas de fuligem de carbono negro como a fonte dos nucleantes de gelo.

A comunidade química atmosférica não tinha se concentrado muito em minerais produzidos em aerossóis de queima de biomassa, porque se supõe que sejam de partículas de solo pré-existentes ou poeira que pousou na árvore ou planta e foi então ressuspensa na atmosfera durante os incêndios florestais. Mas Sullivan e sua equipe descobriram que esses minerais são, na verdade, produzidos a partir da própria combustão. Se o combustível contém elementos como silício, ferro, alumínio, e cálcio, quando queimado, partículas contendo minerais são criadas. Combustíveis de grama alta tendem a produzir mais partículas de nucleação de gelo do que árvores porque contêm naturalmente mais dos elementos formadores de minerais.

Sullivan vê isso como um exemplo do método científico em ação. A hipótese original de que a fuligem era a resposta foi apoiada por dados preliminares e outros estudos da literatura, mas seus dados experimentais disseram algo bem diferente. Então, eles desenvolveram diferentes experimentos e métodos de análise para continuar sua investigação. Este tem sido um projeto de cinco anos e o foco principal do Prêmio de Carreira da National Science Foundation (NSF) de Sullivan.

"Nossas descobertas são uma perspectiva totalmente diferente para a comunidade química atmosférica em relação à fonte de minerais na fumaça da queima de biomassa, ", disse ele." Eles ajudaram a resolver as incertezas de longa data sobre as questões de por que alguns combustíveis de biomassa criam partículas de nucleação de gelo quando entram em combustão e outros não, quais são as fontes das partículas, e como irão evoluir à medida que se movem pela atmosfera. "